Khám phá một hệ Punxa đôi

Punxa là những sao nơtron quay quanh phát ra những xung vô tuyến rất đều đặn như những chiếc đồng hồ rất chính xác, hơn cả những đồng hồ nguyên tử tốt nhất. Punxa đầu tiên đã được khám phá vào năm 1967 bởi Jocelyn Bell và Anthony Hewish. Cho đến nay, người ta đã tìm thấy khoảng 1500 punxa trong Thiên hà của chúng ta và một số ít trong các thiên hà lân cận (thí dụ như ở hai đám mây Magellan).

Sao nơtron và lỗ đen là những vật thể đặc nhất trong vũ trụ và có trường hấp dẫn mạnh nhất. Chúng được tạo thành từ sự suy sụp cuả phần lõi đã cháy hết của những ngôi sao có khối lượng rất lớn, kèm theo là một vụ nổ sao siêu mới trong đó phần vỏ của sao được phun ra rất mãnh liệt. Với khối lượng bằng chừng 400000 lần khối lượng Trái Đất và đường kính không lớn hơn thành phố New York, mỗi sao nơtron về thực chất là một hạt nhân nguyên tử khổng lồ được liên kết bằng lực hấp dẫn. Lực hút hấp dẫn ở bề mặt sao nơtron lớn hơn cũng lực như vậy ở bề mặt Trái Đất tới 11 bậc độ lớn.

Một chiếc “đồng hồ” punxa chính xác quay xung quanh một sao nơtron khác là một chiếc phòng thí nghiệm độc đáo mà thiên nhiên cung cấp cho con người để kiểm nghiệm với độ chính xác cao một số tiên đoán kỳ lạ của lỳ thuyết tương đối rộng của Einstein. Trong số các tiên đoán đó có sự chậm đi của thời gian trong trường hấp dẫn mạnh, sự bị cong của không - thời gian xung quanh sao nơtron và sự phát ra sóng hấp dẫn từ những vật thể khối lượng lớn được gia tốc. Tất cả các hiệu ứng này đã được kiểm tra với độ chính xác cao trong hệ sao nơtron đôi đầu tiên PSR B1913+16 do Hulse và Taylor khám phá năm 1974. Do đã đo được sự giảm quỹ đạo của hệ này do phát sóng hấp dẫn và như vậy lần đầu tiên đã chứng minh được sự tồn tại của sóng hấp dẫn, Hulse và Taylor đã được tặng giải Nobel về vật lý năm1993. Tương tự như vậy, quĩ đạo 900000 km của hệ mới được dự đoán là co giảm khoảng 7 mm mỗi ngày do phát sóng hấp dẫn và như vậy sẽ nhận ra được sau vài năm theo dõi.

Hệ của Hulse - Taylor cũng như khoảng nửa tá hệ sao nơtron đôi được phát hiện trong 30 năm vừa qua chỉ có thành phần là punxa. Khác với hệ đó, trong hệ vừa được phát hiện, cả hai thành phần đều là punxa. Punxa thứ nhất trong hệ mới này, nay gọi là PSR J0737- 3039A, đã được M. Burgay và các cộng sự phát hiện năm 2003, còn punxa thứ hai vừa được A.G. Lyne và các cộng sự xách định đầu năm nay được gọi là PSR J0737-3039B. Punxa thứ nhất khi được phát hiện đã gây xôn xao trong giới nghiên cứu sóng hấp dẫn vì nó có quĩ đạo rất hẹp và như vậy có nghĩa là tỷ suất va chạm của các sao nơtron và các bùng nổ sóng hấp dẫn sinh ra (có thể phát hiện được bằng các Ăngten trên Trái Đất) sẽ lớn hơn rất nhiều so với dự tính. Punxa này là một sao nơtron quay được 44 lần trong một giây xung quanh trục của nó với từ trường bề mặt khoảng 7 x 10 ⁹G (gaoxơ), yéu hơn những punxa đơn lẻ bình thường từng vài trăm lần (ta nhớ lại rằng cường độ từ trường của Trái Đất vào khoảng 0.5G). Punxa thứ hai được xác định là có chu kỳ quay 2,8s, cường độ “bình thường” của từ trường là 6 x 10 ¹²G. Nhờ khám phá ra punxa thứ hai này, bây giờ người ta cũng đã có thể đo được quĩ đạo của cả hai sao với độ chính xác cao. Từ đây, việc kiểm tra lý thuyết tương đối rộng sẽ có thể thực hiện được với độ chính xác cao hơn so với khi sử dụng hệ Hulse - Taylor và các hệ sao nơtron đôi khác. Hệ mới lại ở gần Trái Đất hơn rất nhiều (chỉ vào khoảng 1500 năm ánh sáng) cho nên những sai số về tỷ suất co quỹ đạo mắc phải do các hiệu ứng quay thiên hà không biết có thể giảm đi. Ngoài ra, vì mặt phẳng quỹ đạo gần như trùng với đường ngắm của chúng ta cho nên sóng vô tuyến của punxa A có lúc lại chiếu qua từ quyển chứa plasma rộng hơn rất nhiều của punxa B. Sự kiện này gây ra hiện tượng “thiên thực”(eclipse – che khuất) phát xạ vô tuyến của A trong vài trăm giây, từ đó người ta có một phương pháp độc đáo để thăm dò các tính chất còn rất ít biết của từ quyển của punxa. Vì punxa A mạnh hơn punxa B rất nhiều (3600 lần) cho nên có thể có tình trạng gió punxa rất mạnh của A thổi bay đi một phần từ quyển chứa plasma của punxa B làm cho phát xạ vô tuyến của punxa này bị yếu đi. Kết quả là punxa B, trong phần lớn chuyển động quỹ đạo của nó, rất khó quan sát; nó chỉ rất sáng trong hai khoảng thời gian, mỗi khoảng vào quãng 10 phút, khi nó ở phía quĩ đạo gần Trái Đất.

Một hệ punxa đôi như trên phát triển như thế nào? Cũng giống như các punxa khác trong hệ sao đôi, PSR J0737-3039A có tốc độ quay nhanh khác thường, yếu hơn so với punxa riêng lẻ “bình thường” khoảng 200 lần. Theo các mô hình hiện nay về sự hình thành những hệ như vậy thì punxa nhanh hơn là sao nơtron sinh ra trước tiên, sao này về sau - khi đồng hành của nó vẫn còn là một sao thông thường - nhận được vật chất đổ vào nó từ sao đồng hành khổng lồ đang phồng lên. Sự bồi tụ vật chất này làm từ trường của nó yếu đi và chuyển động quay của nó nhanh lên. Sau đó nó lại đi vào phần vỏ của sao khổng lồ và sự ma sát rất đáng kể làm cho quỹ đạo của nó trở nên rất hẹp. Sau khi vỏ hyđro của sao khổng lồ bị đẩy đi, một hệ sao đôi rất gần nhau với quĩ đạo tròn sẽ hình thành, gồm sao nơtron và lõi gồm các nguyên tố nặng của sao khổng lồ. Khi lõi này suy sụp, sao khổng lồ sẽ trở thành sao nơtron thứ hai trong hệ và phần khối lượng còn lại của nó được phóng ra trong biến cố sao siêu mới kèm theo. Vì sao nơtron sinh thứ hai trong hệ không còn phải tiếp tục chuyển khối lượng nữa, ta có thể chờ đợi nó thành một punxa trường mạnh “ bình thường” với chu kỳ xung “ bình thường” cỡ 1s, đúng như đã quan sát được đối với đa số punxa vô tuyến riêng lẻ trong thiên hà. PSR J0737-3039B rất khớp với các dự tính đó và như vậy nó là một chứng cớ khẳng định sự đúng đắn của mô hình tiến hoá tiêu chuẩn vừa mô tả.

Hệ PSR J0737-3039A và B rõ ràng là một món quà quí báu mà thiên nhiên đã dành cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực khác nhau, từ lý thuyết tương đối rộng và sóng hấp dẫn cho đến lý thuyết phát xạ punxa và mô hình tiến hoá của các hệ sao đôi.(Theo Edward P.J.van den Heuvel, Science,20-2-2004, 1143)./